王彩虹 張文博 王岳俊 周可杰 任天賜

1 河套學(xué)院生態(tài)與資源工程系 巴彥淖爾 015000

2 新沂市蘇蒙肥業(yè)有限公司 新沂 221400

黃腐酸是指腐植酸中可溶于酸性、堿性、中性溶液及丙酮、乙醇中的那部分組分[1]。它是腐植酸中溶解度較好、分子量較小、化學(xué)及生物活性較高的組分［1，2］。黃腐酸的使用范圍較廣，在保健美容方面可以促進(jìn)細(xì)胞新生、修復(fù)和消炎、提高自身免疫力[3]；在醫(yī)藥衛(wèi)生方面可以止血活血、消炎、增加免疫功能等[4～6]；在農(nóng)業(yè)方面可以保水保肥、提高農(nóng)藥的藥效、促進(jìn)根系發(fā)育等[7]。

目前提純黃腐酸的方法有硫酸酸析法和堿溶酸析法、發(fā)酵法、離子交換法、硫酸丙酮法和電滲析法等[8]。有文獻(xiàn)報(bào)道，精制黃腐酸純度一般在95%左右，且重金屬含量未知，難以滿足藥用和食用的要求，或者所用精制純化方法十分復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)成本較高[9～12]，同時(shí)提取的黃腐酸和一些金屬陽離子結(jié)合如Fe3+、Cu2+、Hg2+、Zn2+、Mg2+，尤其是重金屬（Pb2+、Hg2+、Cd2+），雖然含量很少，但若作為藥用黃腐酸必須去除這些重金屬。因此，本研究利用大孔型吸附樹脂與離子交換樹脂結(jié)合建立一套新的提純工藝，用DAX-8 型樹脂吸附黃腐酸，用001×7 H+型樹脂通過離子交換去除黃腐酸中吸附的金屬陽離子，以尋找一種材料價(jià)廉、方法簡便且高效的提純工藝，以期得到高純度的黃腐酸，同時(shí)可以為未來黃腐酸的提純研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用主要試劑為分析純級的鹽酸、氫氧化鈉、氯化鈉、無水乙醇及去離子水，2 種樹脂分別為001×7 型樹脂（購自廊坊淼陽化工有限公司）和DAX-8 型樹脂（購自天津雙聯(lián)科技有限公司），性能參數(shù)見表1。

表1 樹脂的性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of resin

DAX-8 型樹脂是由甲基丙烯酸類物質(zhì)聚合而成的，具有中等極性、聚合的大孔吸附樹脂，不溶于常見的酸堿和有機(jī)溶劑。它具有大的表面積和連續(xù)的孔徑，具有優(yōu)良的理化穩(wěn)定性，可再生重復(fù)使用。

001×7 型樹脂為強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂，是苯乙烯-二乙烯苯共聚交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高分子基體上帶有磺酸基的離子交換樹脂，它在堿性、酸性、中性介質(zhì)中都有離子交換功能[13]。根據(jù)樹脂性能及參考文獻(xiàn)[14]，本實(shí)驗(yàn)選擇001×7 H+型陽離子交換樹脂。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

本實(shí)驗(yàn)所用樣品為新沂市蘇蒙肥業(yè)有限公司提供的純度為40%的礦物源黃腐酸。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)主要用實(shí)驗(yàn)儀器見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器Tab.2 Experimental instrument

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

1.4.1 DAX-8 型樹脂的制備

（1）DAX-8 型樹脂的裝柱。

使用型號為15×300 mm 玻璃樹脂柱填裝。在樹脂裝玻璃柱之前應(yīng)先在柱中加入適量的去離子水（約1/2 樹脂柱），然后按以下步驟操作。

a. 將DAX-8 型樹脂加入帶有去離子水的玻璃柱中。

b. 多余的去離子水排出，保持水面高于樹脂層面5 cm 以上。吸附樹脂的床層高度根據(jù)樹脂類型而定。樹脂一般只填充樹脂玻璃柱空間的1/2 ～1/3，以便進(jìn)行反洗。

（2）DAX-8 型樹脂的反洗。

反洗的目的是為調(diào)整樹脂在柱中的狀態(tài)，使樹脂顆粒進(jìn)行分級和去除樹脂的碎片和雜物，反洗的步驟如下：

a.去離子水從柱底加入，緩緩的向上流動(dòng)，緩慢增大去離子水的流速直到樹脂床膨脹接近50%～80%，保持反洗的去離子水流速，直到所有氣泡被去除，所有樹脂顆粒充分?jǐn)U展，小顆粒樹脂被沖出。

b.反洗終止，樹脂受重力作用自然沉降。

c.調(diào)整液面到樹脂床層面5 cm 以上。

（3）DAX-8 型樹脂的預(yù)處理。

用10%氯化鈉浸泡20 h 進(jìn)行處理，以便去除過量的防腐劑和殘留的丙烯酸單體化合物，然后用乙醇浸泡12 h 以上，用去離子水沖洗至干凈無味即可使用。

1.4.2 001×7 H+型樹脂的制備

（1）稱取200 ～300 g 001×7 型樹脂，使用無水乙醇300 mL 浸泡樹脂24 h；然后用水沖洗至無味。

（2）將浸泡好的樹脂裝柱，樹脂一般只填充樹脂玻璃柱空間的1/2 ～1/3。

（3）使用500 mL 3 mol/L 鹽酸淋洗柱子，然后用1500 mL 去離子水淋洗柱子，重復(fù)此過程2 次，得001×7 H+型樹脂。

1.4.3 樣品的預(yù)處理

將粗級黃腐酸樣品溶于適量的去離子水中，將pH 調(diào)節(jié)至2，在4000 r/min 下離心30 min，除去不溶性成分，并在60 ℃下烘干，備用。

1.4.4 DAX-8 型樹脂提純黃腐酸的研究

DAX-8 型樹脂是非離子大孔樹脂，其主要是根據(jù)物質(zhì)的極性不同而通過范德華力和氫鍵來進(jìn)行物質(zhì)的分離[15]，黃腐酸分子極性小，DAX-8 型樹脂在酸性條件下對黃腐酸吸附力極強(qiáng)，而氨基酸、糖類等極性大，DAX-8 型樹脂對其吸附力弱，因此可以通過吸附力的強(qiáng)弱將其分開。

稱取1 g 預(yù)處理的黃腐酸（干基）試樣，溶解在100 mL 的去離子水中，緩慢注入裝有DAX-8型樹脂玻璃柱進(jìn)行吸附，過程中用蠕動(dòng)泵蠕動(dòng)，讓黃腐酸與樹脂充分接觸。黃腐酸被DAX-8 型樹脂吸附與其他溶于水的化合物分開，充分吸附2 h后，棄掉吸附柱下層溶液。使用去離子水反復(fù)沖洗離子交換柱，直至柱子流出物在350 nm 處吸光值與去離子水一致（棄掉吸附柱下層洗液）。將0.1 mol/L 的氫氧化鈉通過蠕動(dòng)泵從柱子的頂端注入來脫洗黃腐酸，當(dāng)流出物與氫氧化鈉在350 nm處吸光度一致時(shí)，所有黃腐酸全部被洗脫出來。然后將濾液使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器在65 ℃下進(jìn)行濃縮，濃縮至大約15 mL，將其轉(zhuǎn)移至燒杯用紅外燈干燥至粘稠狀，移入干燥箱在75 ℃下干燥至恒重，用灼燒法測定黃腐酸純度。

1.4.5 001×7 H+型樹脂提純黃腐酸工藝條件的研究

為了后續(xù)將DAX-8 型樹脂與001×7 H+型樹脂結(jié)合，研究二者結(jié)合后對黃腐酸的提純效果，必須先知道001×7 H+型樹脂提純黃腐酸時(shí)的定量值（即001×7 H+型樹脂離子交換的時(shí)間、溫度、樹脂用量）。故取1 g 預(yù)處理的黃腐酸（干基）試樣，溶解在100 mL 的去離子水中，置于錐形瓶中，通過單因素控制法研究001×7 H+型樹脂提純黃腐酸時(shí)的離子交換時(shí)間、溫度、樹脂用量等工藝條件。

1.4.6 DAX-8 與001×7 H+型樹脂結(jié)合提純黃腐酸

取1 g 預(yù)處理的黃腐酸（干基）試樣，溶于100 mL 的去離子水中，通過裝有DAX-8 型樹脂玻璃柱進(jìn)行吸附，后用去離子水沖洗并棄掉下滲洗液，然后用0.1 mol/L 氫氧化鈉脫洗，將洗脫液置于錐形瓶中，在最佳工藝條件下用001×7 H+型樹脂進(jìn)行離子交換。然后將濾液使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器在65 ℃下進(jìn)行濃縮、濃縮至大約15 mL，將其轉(zhuǎn)移至燒杯用紅外燈干燥至粘稠狀，移入干燥箱在75 ℃下干燥至恒重，用灼燒法測定黃腐酸純度。

1.5 黃腐酸純度分析法

利用灼燒法[13，16]測定黃腐酸純度。將黃腐酸在箱式電阻爐中330 ℃條件下快速脫水1 h，在室溫下冷卻10 min，稱重（m1）。低溫灰化后在箱式電阻爐中750 ℃條件下灼燒1 h，并在室溫下冷卻10 min，稱重（m2）。按下式計(jì)算黃腐酸純度（FA）。

式中：FA——黃腐酸純度，%。

m1——350 ℃快速脫水后黃腐酸的質(zhì)量，g。

m2——750 ℃高溫灼燒后剩余殘?jiān)|(zhì)量，g。

1.6 提純后黃腐酸的紅外光譜表征

將采用DAX-8 與001×7 H+型2 種樹脂結(jié)合提純黃腐酸得到的產(chǎn)物在75 ℃下烘干至恒重，用傅里葉紅外光譜儀測定。波長設(shè)置范圍190 ～1100 nm，波長測量范圍200 ～100 nm，波長精確度±0.5 nm，光度值范圍0 ～200%T 或吸光度-0.3 ～4.0 Abs。

2 結(jié)果與分析

2.1 DAX-8 型樹脂提純黃腐酸的結(jié)果與分析

通過DAX-8 型樹脂提純黃腐酸，黃腐酸純化結(jié)果見表3。

表3 DAX-8 型樹脂提純黃腐酸的結(jié)果Tab.3 The results of purif ication of fulvic acid with DAX-8 resin

由表可知，經(jīng)DAX-8 型樹脂提純后黃腐酸的純度平均達(dá)到73.74%。說明DAX-8 型樹脂對黃腐酸提純作用明顯，但獲得黃腐酸的純度并不是很高。原因可能是在用去離子水沖洗樹脂柱與氫氧化鈉洗脫樹脂中黃腐酸時(shí)，洗脫液無法達(dá)到與自身對照的吸光度值，故黃腐酸可能沒有全部洗脫出來。另外實(shí)驗(yàn)中使用的0.1 mol/L 氫氧化鈉洗脫液，氫氧化鈉洗脫黃腐酸時(shí)生成黃腐酸鈉，鈉離子在高溫下被氧化成氧化鈉殘留下來，或是黃腐酸溶液中殘留的氫氧化鈉，在高溫灼燒時(shí)氫氧化鈉會氧化為過氧化鈉殘留下來，都會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 001×7 H+型樹脂提純黃腐酸工藝條件的結(jié)果與分析

黃腐酸具有吸附功能，為除去黃腐酸對重金屬的吸附，本實(shí)驗(yàn)采取離子交換樹脂法以H+取代黃腐酸鹽中的金屬陽離子釋放出黃腐酸，離子交換樹脂可經(jīng)再生處理重復(fù)使用，研究樹脂的交換效果及時(shí)間、溫度、樹脂用量對提純效果的影響。

2.2.1 離子交換時(shí)間對黃腐酸純度的影響

固定樹脂用量5 g，離子交換溫度25 ℃條件下，探究001×7 H+型樹脂離子交換時(shí)間對黃腐酸純度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 001×7 H+型樹脂離子交換時(shí)間對黃腐酸純度的影響Fig.1 Effects of 001×7 H+ resin ion exchange time on fulvic acid purity

由圖可直觀看出，001×7 H+型樹脂在離子交換時(shí)間小于120 min 時(shí)隨著離子交換時(shí)間的增加黃腐酸純度上升，在120 min 時(shí)達(dá)到最大純度，在120 min 后黃腐酸純度基本不變，說明吸附達(dá)到飽和。表明它的最佳交換時(shí)間為120 min，此時(shí)H+型樹脂最大純度FA=84.38%。

2.2.2 離子交換溫度對黃腐酸純度的影響

固定樹脂用量5 g，離子交換時(shí)間120 min 條件下，探究001×7 H+型樹脂離子交換溫度對黃腐酸純度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 001×7 H+型樹脂離子交換溫度對黃腐酸純度的影響Fig.2 Effects of 001×7 H+ resin ion exchange temperatures on fulvic acid purity

由圖可直觀看出，隨著離子交換溫度的升高黃腐酸的純度上升，在25 ℃時(shí)出現(xiàn)峰值，之后隨著溫度的升高黃腐酸的純度值略有下降。表明H+型樹脂離子交換的最佳溫度為25 ℃，此時(shí)H+型樹脂最大純度FA=84.41%。

2.2.3 001×7 H+型樹脂用量對黃腐酸純度的影響

固定離子交換溫度25 ℃，交換時(shí)間120 min條件下，探究001×7 H+型樹脂用量對黃腐酸純度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

由圖可直觀看出，隨著樹脂用量的增加黃腐酸的純度呈現(xiàn)先增大再下降之后持平的趨勢。表明001×7 H+型樹脂用量在4 g 左右黃腐酸的純度最高，此時(shí)H+型樹脂最大純度FA=84.58%。

2.3 DAX-8 型樹脂與001×7 H+型樹脂結(jié)合提純黃腐酸的結(jié)果與分析

使用001×7 H+型樹脂離子交換法提純DAX-8型樹脂洗脫液，可進(jìn)一步提純黃腐酸，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表可以看出，使用001×7 H+型樹脂離子交換法提純DAX-8 型樹脂洗脫液后黃腐酸的純度均值為94.49%。從結(jié)果可以看出DAX-8 型樹脂與001×7 H+型樹脂結(jié)合后提純效果比單一DAX-8 型樹脂要高很多。但是結(jié)果未達(dá)到99%以上，分析原因可能是001×7 H+型樹脂以H+未完全取代黃腐酸鹽中的金屬陽離子，在高溫灼燒時(shí)金屬陽離子被氧化，影響黃腐酸的純度。

圖3 001×7 H+型樹脂離子交換樹脂用量對黃腐酸純度的影響Fig.3 Effects of 001×7 H+ resin ion exchange dosage on fulvic acid purity

表4 DAX-8 型樹脂和001×7 H+型樹脂結(jié)合提純黃腐酸結(jié)果Tab.4 The results of purif ication of fulvic acid with 001×7 H+ and DAX-8 resin

2.4 提純后黃腐酸的紅外光譜表征

對提純后的黃腐酸進(jìn)行紅外光譜分析，結(jié)果見圖4。

黃腐酸含有羥基、氨基、羰基、羧基和脂肪族的基團(tuán)和鏈，以及酮、醛、醌和酯，軛合有羰基的芳香結(jié)構(gòu)、烯鍵、酰胺等。由圖4 可見，位于3436.53 cm-1處的吸收峰為醇、酚和羧酸基團(tuán)的O-H的伸縮振動(dòng)峰。位于2024.89 cm-1的吸收峰為叁鍵和累積雙鍵中-C=C=O 伸縮振動(dòng)峰，這個(gè)譜帶相對較狹。羧酸、酯、酮和醛中C=O 的伸縮振動(dòng)峰出現(xiàn)在1596.77 cm-1處。小于1400 cm-1的吸收，主要為羧酸和丙烯醚的C-O 伸縮振動(dòng)和O-H 變形振動(dòng)。1199.51 cm-1波數(shù)處的吸收峰歸屬于醇、醚的C-O伸縮振動(dòng)。1039.44 cm-1波數(shù)處的吸收峰歸屬于醚、酯、酚羥基C-O 伸縮振動(dòng)。600 ～800 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)的吸收峰為苯環(huán)上的C-H 彎曲振動(dòng)所致。

圖4 提純后黃腐酸的紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectrogram of purif ied fulvic acid

3 結(jié)論

使用純度為40%的礦物源黃腐酸進(jìn)行提純研究，得出以下結(jié)論：

（1）不同樹脂提純黃腐酸效果對比。使用DAX-8 型樹脂吸附提純黃腐酸純度為73.74%，使用001×7 H+型樹脂提純黃腐酸的純度為84.58%，DAX-8 型樹脂與001×7 H+型樹脂結(jié)合提純黃腐酸純度為94.49%。DAX-8 型樹脂與001×7 H+型樹脂結(jié)合后提純效果比單一使用DAX-8 型樹脂或是單一使用001×7 H+型樹脂提純效果好。

（2）001×7 H+型樹脂提純黃腐酸工藝條件的研究。001×7 H+型樹脂提純黃腐酸的最佳條件為：離子交換時(shí)間120 min，離子交換溫度25 ℃，樹脂用量4 g。